Targeting clonally expanding drug-resistant tumor cells in recurrent glioblastoma
Glioblastoma, as the most common malignant brain tumor in adults, is characterized by the development of treatment resistance to the standard chemotherapy temozolomide (TMZ), leading to disease relapse and subsequently to high patient mortality. This work, conducted within the DFG-funded Clinical Research Unit 337 "Phenotypic Therapy and Immune Escape in Cancer", is based on the discovery of subclonal dynamics, that were detected in human patient tissue and in cellular and in vivo models of glioblastoma disease. As cellular models, short-term expanded, paired clinical cell samples of treatment-naive cells, extracted from the patient's primary tumor and the corresponding relapse cells were used. Relapse cells were obtained from the patient's clinical relapse or generated through serial in vitro TMZ exposure (experimental relapse). A rare treatment-naive ALDH1A1+ (Aldehyde Dehydrogenase 1 Family Member A1) cell population, subclonally enriches and acquires phosphorylated, active AKT (pAKT; phosphorylated protein kinase B) in the relapse, leading to increased resistance to TMZ. Based on the speculation that it is an early process in which cells phenotypically adapt to enable persistence under otherwise effective therapies (drug-tolerant persisters (DTPs)), cellular models for disease progression were developed to investigate early TMZ-induced responses of tumor cells. TMZ exposure resulted in a rapid increase in KDM5Bhigh cells, which were further characterized as slow-cycling, drug-tolerant cells, that present increased pAKT levels. The individual level of KDM5B expression in treatment-naive cells can predict the rare cellular identities, that newly arise as drug-resistant subclones after TMZ exposure. Thus, KDM5B was identified as a prospective indicator for the subclonal expansion of ALDH1A1+/pAKT+ cell populations and might be used in future biomarker-assisted clinical trials. If further developed, KDM5B could enable the prediction of patients responding to sequential subclone-specific targeting strategies already before TMZexposure. In this sequential targeting approach, one could take advantage of the TMZinduced enrichment of resistant ALDH1A1+/pAKT+ subclones and subsequently target the enriched subclones in a second step via inhibition of pAKT. This "Enrich and Kill“ strategy could prolong patients survival.
Das Glioblastom, der häufigste bösartige Gehirntumor des Erwachsenen, ist durch die Entwicklung einer Therapieresistenz gegen die Standard Chemotherapie Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet, was zu einem Rückfall der Erkrankung, einem sogenannten Rezidiv, und daraufhin zu einer hohen Sterblichkeitsrate der Patienten führt. Diese Arbeit, die im Rahmen der DFG-geförderten Klinischen Forschergruppe 337 “Phenotypic Therapy and Immune Escape in Cancer” durchgeführt wurde, basiert auf der Entdeckung einer subklonalen Dynamik, die in humanem Patientengewebe, in zellulären und in vivo-Modellen des Glioblastoms nachgewiesen wurde. Für die zellulären Modelle wurden therapie-naive Zellen des Primärtumors des Patienten mit gepaarten Rezidivzellen verglichen, die entweder aus dem klinischen Rezidiv des Patienten stammten oder als experimentelles Rezidiv in vitro hergestellt wurden. Eine ALDH1A1+ Zellpopulation, die in therapie-naiven Tumoren nur selten zu finden war, sich aber in Rezidiven subklonal angereichert hatte, zeigte eine Zunahme von phosphoryliertem, aktiven AKT (pAKT), was zu einer erhöhten Resistenz gegenüber TMZ führte. Ausgehend von der Vermutung, dass es sich um einen frühen Prozess handelt, in dem Zellen phänotypisch so adaptiert werden, dass sie unter sonst wirksamen Therapien überleben und persistieren können, wurden zelluläre Modelle für Progressionsmechanismen entwickelt, um frühe TMZ-induzierte Reaktionen der Tumorzellen zu untersuchen. Eine TMZ-Exposition der Zellen führte zu einer rapiden Zunahme von KDM5Bhigh Zellen, die sich durch ein verlangsamtes Zellwachstum und ein erhöhtes pAKT Level auszeichneten, sowie eine verstärkte TMZ Toleranz aufwiesen. Das individuelle KDM5B Niveau in therapie-naiven Zellen ermöglichte die spezifische Vorhersage der anfänglich seltenen zellulären Identitäten, die unter TMZExposition persistieren können und im Laufe der Progression expandieren und den Tumor dominieren. Somit wurde KDM5B als ein prädiktiver Faktor für die subklonale Expansion der ALDH1A1+/pAKT+ Zellen identifiziert und könnte als Biomarker in zukünftigen klinischen Studien verwendet werden, um vorherzusagen, welche Patienten auf eine auf spezifische Subklone ausgerichtete Therapiestrategie ansprechen werden. In dieser sequenziellen Therapie würde man eine „Enrich and Kill“ Strategie verfolgen und sich das TMZ-induzierte Anreichern der resistenten ALDH1A1+/pAKT+ Subklone zunutze machen. Die resistenten Subklone würden im Anschluss an die TMZ-Exposition in einem zweiten Schritt gezielt mittels pAKT Inhibition getroffen und so könnte das Überleben der Patienten verlängert werden.